Cytobacillus sp. OWB-43 对 Olein 工业废弃物的生物修复：降低 COD、SSE 与植物毒性并支持土壤安全处置

《Environmental Microbiology Reports》：Bioremediation of Olein Industry Waste by Cytobacillus sp. OWB-43 Strain

　　

工业植物 Olein 废弃物的处置构成重大环境挑战。本研究中，研究人员考察了 Cytobacillus sp. OWB-43 处理植物油 Olein 生产中所产生废弃物的生物修复潜力，该废弃物是向日葵、大豆、玉米和花生油工业的副产物，其化学需氧量（COD，chemical oxygen demand）为 160,000 mg L^?1。Cytobacillus sp. OWB-43 使 COD 降低 18.75%（约 30,000 mg L^?1），使乙醚可溶性固形物（SSE，soluble solids in ether）降低 24.8%（7.2 g L^?1）。此外，在搅拌和静置条件下，最大种群生长分别为 3.7 × 10⁸ CFU mL^?1 和 1.5 × 10⁹ CFU mL^?1，其中 CFU 为菌落形成单位（colony forming units）。此外，细菌处理（搅拌和静置）降低了残留物的植物毒性（phytotoxicity），该现象在用作毒性生物传感器（biosensors）的莴苣幼苗和洋葱鳞茎中均被观察到。进一步，研究人员证明，处理后的残留物可安全处置于土壤中而不产生有害影响。该结论是在经 Cytobacillus sp. OWB-43 处理残留物灌溉的土壤中观察到的，该土壤支持莴苣生长，其鲜重和干重值与水灌溉土壤中生长的植株相当。虽然 Bacillus 和 Pseudomonas 等属已知可用于含油废水处理，但本研究鉴定出 Cytobacillus sp. 作为一种有前景且此前未报道的 Olein 废弃物生物修复剂。

研究人员指出，全球植物油生产是重要工业活动，食用油精炼产生大量废水和固体残留物，带来环境和处置挑战。粗植物油含三酰甘油（TAGs）、磷脂（PLs）、游离脂肪酸（FFAs）、金属、蛋白等，需精炼去除影响品质和货架期的杂质。多数工厂采用化学/碱炼，产生富含皂、油、磷脂、有机物和酸性废水（AW）以及油性界面（OI）的废物流。后续酸化解产生可回收副产物 Olein，也产生 AW 和 OI；这些残留物呈酸性、含油、含悬浮胶体，通常不能直接排放，需要额外物理化学或生物处理。替代物理或酶法精炼可减少油损和部分废物，但仍产生组成相似的 effluent。生物修复利用微生物代谢消除危险污染物，成本低、生态友好、可持续。堆肥（composting）和土地耕作（landfarming）是高效低成本固相过程，但有空间需求大、耗时长、深度限制和依赖天气等局限；生物刺激（biostimulation）和生物强化（bioaugmentation）可加速，但处理时间仍过长。AW 常从池中取出通过 landfarming 管理，但酸性延长处理并长期占用土地；OI 在池中累积未处理，疏水导致传质限制、低生物利用度和强土壤吸附。外源生物修复（ex-situ bioremediation）使用生物反应器（bioreactor）可在可控条件下高效培养微生物，污染环境可提供耐受或驯化微生物。为应对 Olein 工业废物生物修复，研究人员实施外源生物修复策略，目标包括分离鉴定产表面活性剂和特定酶活、能降解 Olein 废弃物混合物（OWM，由 AW 和 OI 组成）的菌株，分析其在 OWM 中生长、降低 COD、SSE 和植物毒性，选择最优菌株，在搅拌和静置批式生物修复中应用，并评估处理前后 OWM 组成。样本来自阿根廷 Santa Fe 省 San Lorenzo department 的 Olein 工业企业，AW 和 OI 按 Provincial Decree 2151/2014 视为非危害工业废物。研究显示 Cytobacillus sp. OWB-43 为最有前景菌株，可降低 COD、SSE 和植物毒性，处理后残留可安全土壤处置并支持莴苣生长，且此前未报道 Cytobacillus sp. 用于 Olein 废弃物处理。

关键技术方法（约250字）：样本队列来源为阿根廷 Santa Fe 省 San Lorenzo department 的 Olein 工业企业提供的 AW 和 OI，按 Provincial Decree 2151/2014 视为非危害工业废物。关键方法包括：理化表征 pH、电导率（EC）、ICP-MS、阴离子、总固体；直接涂布和富集策略分离细菌；筛选蛋白酶、脂酶、卵磷脂酶、纤维素酶活性和表面活性剂；16S rRNA 基因测序、MALDI-TOF MS 和全基因组测序；在 OWM 或 OWM:H₂O 中进行搅拌和静置批式处理；测定 SSE、COD、植物毒性（莴苣种子、洋葱鳞茎）；使用 ¹H NMR、TLC 和生物自显影；采用 ANOVA、Kruskal-Wallis 等统计。

3.1 从 Olein 工业废弃物中分离和表征细菌：获50株，10株来自 AW、30株来自 OI、10株来自富集策略；80%革兰阳性、20%革兰阴性。鉴定 B. subtilis OWB-10、B. velezensis OWB-30、P. aeruginosa OWB-41、Lysinibacillus sp. OWB-42、Cytobacillus sp. OWB-43、Enterobacter sp. OWB-48、Niallia sp. OWB-49。B. subtilis OWB-10 和 B. velezensis OWB-30 对所有检测酶活和表面活性剂阳性；Cytobacillus sp. OWB-43 仅脂酶和卵磷脂酶阳性；Lysinibacillus sp. OWB-42 和 Cytobacillus sp. OWB-43 脂酶活性最高。对 B. subtilis OWB-10、B. velezensis OWB-30、P. aeruginosa OWB-41 和 Cytobacillus sp. OWB-43 进行基因组测序。

3.2 细菌生长：未稀释 OWM 中仅 P. aeruginosa OWB-41 生长，3天从 10⁷ 增至 3 × 10¹⁰ CFU mL^?1 并维持至15天。所有菌株在 OWM:H₂O 中生长；最高为 P. aeruginosa OWB-41 2.6 × 10¹⁰、Enterobacter sp. OWB-48 1.2 × 10¹⁰；Cytobacillus sp. OWB-43 为 3.7 × 10⁸，Niallia sp. OWB-49 为 1.8 × 10⁸，B. subtilis OWB-10 为 1.9 × 10⁸，B. velezensis OWB-30 为 1.8 × 10⁸，Lysinibacillus sp. OWB-42 为 2.7 × 10⁸ CFU mL^?1。4倍和10倍稀释无更高最大种群，选1倍稀释 OWM:H₂O。

3.3 OWM:H₂O 理化评价：总脂肪即 SSE 29 g L^?1，COD 160 g L^?1，总固体 96 g L^?1，电导率 13.5 dS m^?1；并测硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氯化物及 Fe、Zn、Na、K、Mg、Ca、Al、P。

3.4 Cytobacillus sp. OWB-43 降低 SSE 和 COD：7天处理中 OWB-43 降低 SSE 24.80%，除 P. aeruginosa OWB-41 外所有菌均降低 SSE。COD 最有效为 OWB-43（18.75%）和 Niallia sp. OWB-49（17.71%），Enterobacter sp. OWB-48 为 14.58%；B. subtilis OWB-10、B. velezensis OWB-30、P. aeruginosa OWB-41 和 Lysinibacillus sp. OWB-42 未改善。

3.5 Cytobacillus sp. OWB-43 降低植物毒性：莴苣幼苗下胚轴伸长（HE）和根伸长（RE）显示，OWB-43 和 Niallia sp. OWB-49 显著改善 HE，中位分别为 9.02 和 9.04 mm，对照 3.46 mm；RE 显著改善为 OWB-43 10.71 mm 和 B. subtilis OWB-10 8.10 mm，对照 5.88 mm；水对照 HE 10.44、RE 14.57 mm。¹H NMR 显示处理后丙酸、乙酸、乙酰丙酸和甘油信号消失，1.65 和 2.60 ppm 信号变化但未定身份。

3.6 处理使残留废物可安全土壤处置：选 OWB-43。洋葱根长：水 52.71 mm，处理废物 26.43 mm，未处理无根。莴苣 20倍稀释后，处理废物灌溉与水灌溉鲜重/干重无显著差异（3.80 vs 3.83 g；0.17 vs 0.17 g）；未处理显著较低（2.73、0.12 g）；处理较未处理鲜重增 28.00%、干重增 27.90%。

3.7 多种化合物可能贡献废物植物毒性：TLC 筛选移动相，绝对乙醇分离最佳；制备 TLC 分5区，生物自显影植物生长抑制试验显示。乙醇:水 85:15 移动相下，区域2 RE 6.7→10.8 mm，区域3 RE 5.6→12.0 mm，区域4 HE 5.3→9.8 mm，区域5 RE 5.4→10.6 mm。说明多种化合物共同贡献毒性，OWB-43 处理降低不同类别毒性。

3.8 Cytobacillus sp. OWB-43 静置生长也降低植物毒性：静置7天达 1.5 × 10⁹ CFU mL^?1，约100倍。莴苣 HE 9.3 vs 未处理4.3 vs 水11.1 mm；RE 6.2 vs 3.8 vs 水16.6 mm。洋葱根长：水61.9 mm，处理41.5 mm，未处理无根。

讨论部分总结：Olein 工业产生 oleins 副产物，提取产生 AW 和 OI，虽非毒非危害但低 pH 高有机负荷。酸性改变生物分子电荷，弱有机酸入胞释放质子，破坏 pH 稳态和质子动力势，可能解释革兰阳性菌比例高，Firmicutes 如 Bacillus 可产芽孢耐酸。未处理池多年不变，pH 未调无生长，调至7后生长。长期污染可产生降解群落，但本研究废物无微生物活动，提示未发生适应进化。所有菌株在水稀释下生长，选50%稀释减少用水。B. subtilis OWB-10 和 B. velezensis OWB-30 未表现最佳。P. aeruginosa OWB-41 和 Enterobacter sp. OWB-48 生长较好，P. aeruginosa 可不稀释生长但不降低 SSE、COD和植物毒性；Enterobacter sp. OWB-48 降低 SSE 和 COD。OWB-43 有脂酶和卵磷脂酶，生长强，降低 SSE、COD和植物毒性。未处理 COD 160,200 ± 5500 mg L^?1，比印度植物油精炼废水高近6倍。OWB-43 7天降低 COD 18.75%（约30,000 mg L^?1），优于部分报道。高硫酸盐 9.2 g L^?1 限制厌氧；好氧处理高 COD 有效。EC 13.50 dS m^?1，高于乳制品废水，类似橄榄厂废水；EC 影响土壤养分和渗透压；OWB-43 未降低 EC，但稀释后处理残留支持莴苣，说明其他毒性因子降低。植物毒性显著降低，搅拌和静置均在莴苣和洋葱中有效；土壤灌溉处理残留支持莴苣生长，鲜干重与水对照相当。静置对洋葱根伸长更有效，且能耗更低。¹H NMR 显示乙酸和甘油耗尽，作为碳源；生物自显影表明多种植物毒性化合物。静置生物修复此前对染料废水、多氯联苯污染矿物油有效；静置可形成液-气界面生物膜，B. cereus、B. subtilis、P. fluorescens、Acinetobacter 等可形成，生物膜细胞适应和存活更好，促进异生物质利用。静置低能耗更适合大规模，但需进一步评估；处理罐可能需曝气。长期累积未处理 Olein 废物可能通过该生物技术克服。处理后 COD 仍过高，不能排入污水或自然水体，但可安全土地处置。需大规模研究评估实际适用性。

研究结论（翻译）：从 Olein 工业废弃物中获得的分离菌株 Cytobacillus sp. OWB-43，在搅拌和静置条件下均表现出在优化 Olein 废弃物中生长的能力。其应用显著降低了废弃物的植物毒性，使其能够安全处置于土壤。该策略不仅突出了定向微生物处理对工业残留物有效生物修复的潜力，也促进了可持续废物管理策略的发展。